用于功率器件热点定向散热的金刚石单晶-多晶复合微通道热沉

受限于传统Si(148W/m·K)、、、、Cu(400W/m·K)、
、、、Al(237W/m·K)等热沉材料较低的热导率，，将其作为微通道热沉基板时散热性能有限。。。而单晶金刚石具有众多优异的性质，，如极高的硬度、
、、红外到紫外高的光学透过性、
、、、室温下超高热导率、、、高载流子迁移率和禁带宽度等，
，，可广泛应用于机械加工、、光学窗口、、、、电子器件以及散热应用等。。。金刚石作为热沉片具有很大的发展前景，，，其室温热导率高达2400W/(m·K)。。。根据制备工艺与品质的不同，，，多晶金刚石热导率大约在1000~2200 W/(m·K)范围内
，，
，同时4英寸以上的多晶金刚石已经成功制备。。。。由于金刚石单晶和多晶热导率都远远高于铜
、
、、铝等一般的散热材料，，，因此将这两者结合能够克服金刚石尺寸限制，，，同时有望解决大尺寸功率器件“热点”定向散热问题
。。。。

SP-HMC热沉几何模型如图1所示，，，复合热沉片中心为高热导率的单晶金刚石，，，，对应功率器件高热流密度区域，，即“热点”区域，，，，其余部分为热导率相对较低的多晶金刚石，，，，对应功率器件热流密度较低的背景区域，
，通过SP-HMC热沉来实现器件“热点”与“背景”的定向散热，，同时保证整体的均温效果。。
。

图2展示了热点热流密度qhs=400 W/cm² ，，，背景热流密度qbg=50 W/cm² ，，热点尺寸Ahs与单晶金刚石尺寸ADi均为2mm×2mm，
，随着雷诺数增加
，
，SP-HMC热沉表面的温度分布情况。。
。

图3展示了在雷诺数Re=640，，
，
，热点尺寸Ahs与金刚石尺寸Adi均为2mm×2mm且背景热流密度qbg=50W/cm²的情况下
，，，当热点热流密度从300W/cm²增加至1600W/cm²时，，，
，SP-HMC热沉表面的温度分布情况。
。。

如图所示，，SP-HMC散热器的优点是可以根据不同设备的热点分布进行定制
，，从而实现高热流密度热点的定向高效散热。。。
。

本研究从理论上证实了SP-HMC热沉的散热策略在功率器件热点定向散热方面的巨大优势，，，，尤其是在大的热点尺寸和高的热点热流密度的情况下，
，，其优势更为明显。。。单晶金刚石与多晶金刚石拼接生长实验表明，，，所提出的复合热沉制备方案是容易实现的，
，经过66h的生长，，，，获得了390μm的连接层厚度。
。本研究提出的散热方案结合了单晶金刚石高热导率与多晶金刚石大尺寸的优势，
，，，将有望在解决大尺寸功率器件不同散热需求的情况下有效降低热沉制备成本，，进一步拓展金刚石在散热领域的应用。。。

三耳重工是一家专注于宽禁带半导体材料研发、、
、生产和销售的国家高新技术企业，，，，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石
、、、金刚石热沉片
、、、金刚石窗口片、、、
、金刚石基复合衬底)、
、单晶金刚石(热学级、、、、光学级、
、电子级
、、、、硼掺杂、、氮掺杂)和金刚石复合材料等
，，引领金刚石及新一代材料革新，
，赋能高端工业化应用，，
，公司产品广泛应用于激光器、、、GPU/CPU、、、、医疗器械、、
、
、5G基站、、、大功率LED
、、、新能源汽车、、、、新能源光伏、、、、航空航天和国防军工等领域。。